1-1 研究背景
大地測量的主要目的之一，是盡可能準確估計地表點位的空間位置，但由於 地球並非一個規則球體，為了估計地表點位的三維空間資訊，必須要定義一個表 示 地 球 形 狀 的 參 考 系 統 作 為 地 表 點 位 的 參 考 依 據 ， 因 此 衍 生 地 表 參 考 系 統 ( Terrestrial Reference System, TRS )的概念，用以描述地表點位的空間位置。然而 地表參考系統本身為一抽象的概念，在實際套用地表參考系統定義時，則需要經 由一些觀測方法及技術進而獲取控制點位的三維空間位置，並以數學模式和地表 參考系統之基本定義作連結，此即為地表參考框架( Terrestrial Reference Frame, TRF )。換言之，地表參考框架乃是利用測量技術所求出的觀測量，將地表參考系 統本身的抽象、不確定性予以具體化。地表參考系統與地表參考框架的示意圖如 圖 1-1 所示。圖 1-1 中，紅色三角點代表空間中的待測定點位，藍色圓點代表根據 地表參考系統定義，經測量技術所得到之地表控制點位，待測點位的空間位置決 定，需藉由地表控制點位以測量的方式，進而估計待測點位的坐標。
由於地表參考框架是經由地表點位的觀測量而來，當點位變動時，所定義之 框架亦會隨之改變，因此在考量地表實際動態行為的情況下，可透過全球定位系 統( Global Positioning System, GPS )對地表控制點位進行長期連續觀測，獲取地表 空間資訊，進而建立一組動態坐標參考框架用以描述框架之變動行為。然而依據 不同參考系統或不同測量技術所定義之地表參考框架，彼此間通常存有系統性的 差異，因此在實用上，可藉由動態框架轉換模型建立不同框架間之動態轉換關係。
在不同參考框架下之地表點位坐標與速度場，可透過動態框架轉換模型估計轉換 參數，經過轉換之後，而擁有共同的參考基準，進行後續之應用。
圖 1-1 地表參考系統與地表參考框架
地表參考框架和地表參考系統之間存在細微的差別，由於地表參考系統是定 義一個恆定且抽象的系統，而地表參考框架則是可調整、具有彈性的架構，用來 將參考系統實際體現。因此根據使用者所定義的參考系統只有一個，但是使用不 同的測量定位技術或在不同的假設條件下，可以存在許多不同的參考框架來描述 所定義之系統。
在分析使用大地測量技術所獲得的資料前，首先都要了解它本身地表參考系 統的定義。根據不同之坐標參考系統定義或是在同一坐標參考系統定義下，但經 由不同觀測技術的情況下，會衍生出各種不同的地表參考框架。而為使全球各地 使用者能有一共同的參考基準，國際大地測量及地球物理協會( International Union of Geodesy and Geophysics, IUGG )和國際大地測量協會( International Association of Geodesy, IAG )對在地球科學領域方面的應用上採用唯一的一組地表參考系統，
稱為國際地表參考系統( International Terrestrial Reference System, ITRS )，ITRS 的 原點定義在地球的質量中心，包括海洋與大氣；它的長度單位為公尺(SI 制)，對地 心區域框架來說，尺度與 TCG ( Temps-coordonnée géocentrique )時間坐標一致 ( Altamimi et al., 2002 )。
：待測點 地表參考系統
X
Y Z
O
地表參考框架
：控制點
除了 ITRS 之外，WGS84 ( World Geodetic System of 1984 )亦是定義地表空間 位置的坐標參考系統。WGS84 坐標系統由美國國防部之 National Imagery and Mapping Agency ( NIMA )組織所建立及維護，其原點定義在地球質量中心，Z 軸與 國際地球旋轉組織( International Earth Rotation Service, IERS )所定義之慣用地球北 極( Conventional Terrestrial Pole, CTP )方向相平行，X 軸為 IERS 所定義之零子午 圈(首子午圈)相平行之參考子午面與慣用地球北極赤道平面之交線方向，Y 軸則為 與 X 軸垂直並在赤道面上而與 X、Z 軸形成右旋地心地固直角坐標系統之方向(東 經 90 度之方向) (曾清涼、儲慶美，1999)。
在選定合適之地表參考系統後，便可透過地表參考框架將地表參考系統的概 念予以實現。自 1980 年起，由於衛星大地測量技術的發展，地表點位的觀測精度 大幅提昇，依據同一地表參考系統定義所建立但具有更新技術且高品質的地表參 考框架已被逐步建立起來( Altamimi et al., 2002 )。目前最具代表性之一組動態參考 框架是源自於 IERS 所提供之國際地表參考框架( International Terrestrial Reference Frame, ITRF )。在定義 ITRF 時是採用一組基本測站所組成之全球網，該類測站之 坐標值須採用最精確之空間定位技術予以測定。在考慮點位會受地殼變動之影響 而產生坐標改變之現象，ITRF 坐標參考框架除了公佈一組地面測站坐標值之外，
還提供測站坐標變化速度場。ITRF 的基本概念是使用大地測量技術所得到的觀測 值，結合測站位置和速度場的計算，加以綜合分析，定義出一個完整的資料組。
由 於 測 量 定 位 技 術 的 日 益 精 進 ， 如 ： 極 長 基 線 干 涉 術 ( Very Long Baseline Interferometry, VLBI )、衛星雷射測距( Satellite Laser Ranging, SLR )、月球雷射測 距( Lunar Laser Ranging, LLR )、全球定位系統( Global Positioning System, GPS )以 及 DORIS ( Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite )等多項 之高精度定位技術，其應用需要結合在一組定義良好之全球性坐標參考系統。如 不同空間定位技術所建立之各組坐標資料( Sets of Station Coordinates, SSCs )，能予 以綜合分析後，將各組之坐標成果資料合併形成一個單一之資料組，則此一包含
測站坐標與地球定向參數( Earth Orientation Parameters, EOP )之地球參考系統即可 定義完成並視為一個大地應用所需之參考框架( reference frame ) ( Altamimi et al., 2002；曾清涼、儲慶美，1999 )。
ITRF 可利用 IGS ( International GNSS Service )公佈之全球 GPS 測站之連續追 蹤資料，而 IGS 分析中心亦可採用 ITRF 所公佈之坐標進行 GPS 之軌道計算 ( Boucher & Altamimi, 1996 )。現階段當利用 GPS 進行高精度之定位應用時，由於 GPS 能夠提供公分等級之全球性測站坐標資料，因此 ITRF 之採用便顯現出其必然 性。ITRF 所使用的網形是由分佈在全球各地的測站所構成，計算出來為最準確且 最廣大的解算成果，其中 ITRF2000 控制網的測站約 800 個，分佈在全球約五百處，
其中精度比較高的測站主要分佈於北美與西歐。ITRF2000 全球框架下約有 50%的 測站位置精度優於± 1 cm，以及大約 100 個測站之速度場精度在 ± 1 mm/yr 以下 ( Altamimi et al., 2002 )。
此外，IGS 透過分佈世界各地的 GPS 測站所建構成之全球控制網，估計得到 之每週解算成果( Ferland, 2004 )，以及 World Geodetic System ( WGS84 ) ( National Imagery and Mapping Agency, 2000 )所獲得之地表點位參考坐標，亦可視為全球性 之坐標參考框架。
除了上述之全球參考框架外，區域性的地表參考框架也在世界各地逐漸建立 起來。美國於 1974 至 1986 年間進行大量的測量施測計畫後，採用了 1,500,000 個 以上之大地觀測量進行平差解算，根據解算得到之精密成果用以建立北美洲大地 基準( North American Datum of 1983, NAD83 ) ( Schwarz ed., 1989 )；歐洲在 IAG 所 屬之 EUREF ( EUropean REference Frame )工作小組於 1989 年規劃 GPS 外業測量 計畫，進行為期二週的觀測，藉此建構歐洲之三維大地基準，其最後解算成果用 以定義 European Reference Frame 89 ( EUREF89 ) ( Overgaauw et al., 1994 )；澳洲在 1994 年對澳洲框架網( Australian Fiducial Network )及國家基本網( Australian
National Network )，利用 GPS 測定其在 ITRF92 框架下之坐標值，另外再加上於其 它 GPS 控制網上施測 GPS 所得到之成果，共同進行平差計算，所獲得之精密坐標，
作為澳洲大地基準( Geocentric Datum of Australia 1994, GDA94 ) ( Steed, 1995 )；台 灣目前所採用之地表參考框架，是內政部於 1995 年至 1997 年之間，由台灣地區 8 個衛星追蹤站聯合 51 個分佈於全球之 IGS 國際追蹤站一起進行追蹤站網形分析，
該坐標參考框架是架構於 ITRF94，並以這 8 個站的坐標作為框架，約制台灣 105 個一等衛星控制點進行網形平差，最後解算的坐標成果，用以建立台灣地區大地 基準( Taiwan Datum 1997, TWD97 ) ( Chang & Tseng, 1999; 曾清涼、儲慶美，
1999 )。這些地表坐標參考框架之目的皆是希望能夠提供該地區最精確且符合現況 之坐標參考框架，以作為求解地表空間資訊時之可靠依據。地表參考系統與地表 參考框架基本定義整理如表 1-1 所示。
表 1-1 地表參考系統與地表參考框架之比較
地表參考系統 地表參考框架
定義 定義坐標系統之原點、三軸方向、
單位長度，用來表示地球形狀作為 地表點位之參考依據。
根據地表參考系統的定義，使用不 同測量定位技術，觀測地表參考點 位，解算得到之地表點位空間資 訊。
形態 抽象、不確定的概念 實際應用之空間點位觀測值
例子 ITRS WGS84
全球地表參考框架：
- ITRF2000 - IGS 全球控制網
- WGS84 地表點位參考坐標 區域地表參考框架：
- NAD83 - EUREF89 - GDA94 - TWD97
依據板塊構造學說，地球表面可分為數個剛體板塊，地殼板塊會受到地球內 部具流性的物質帶動而相互運動，並以每年數公厘至數公分不等之速率互相移動 中，造成全球性的板塊運動，板塊之間的運動行為模式見圖 1-2，圖中紅色箭頭代 表板塊運動的速度場。由板塊運動行為可以看出，在不同區域下所受到之板塊作 用力並不一致，在不同地區的地表點位會依據所屬板塊運動的方式，而有不一樣 的動態行為，導致地表上任一點位之空間位置的變動情形亦有所差異( DeMets et al., 1990 )。
圖 1-2 全球板塊運動行為( UNAVCO 2008/online/ )
由於地表參考系統是透過地表參考框架之觀測量來予以體現，而地表參考框 架通常是由觀測所得之參考點位坐標值來定義，然而地球板塊隨時都在運動，點 位位置也隨時間而變化。近年來，由於高精度之大地測量技術應用，可偵測出地 表點位的細微變動，因此在考慮地表參考點位移動的情況下，必須加以考量地表 參考框架之時間變化，因此衍生出時間動態坐標參考框架之概念。自 1988 年起，
依據 ITRS 所定義出之 ITRF88，即以點位坐標隨時間變動的概念，加入參考點位 坐標的速度場的動態坐標框架。ITRF 其中包含速度場的資料，也就是在構成 ITRF 網形中的每一測站都具有速度向量，用來表示它由於地殼板塊運動所造成的測站 所在點位的時間相依( time-dependent )絕對位移( Soler, 1998 )。
依據 ITRS 所定義出之 ITRF88，即以點位坐標隨時間變動的概念，加入參考點位 坐標的速度場的動態坐標框架。ITRF 其中包含速度場的資料，也就是在構成 ITRF 網形中的每一測站都具有速度向量，用來表示它由於地殼板塊運動所造成的測站 所在點位的時間相依( time-dependent )絕對位移( Soler, 1998 )。